聚合酶链反应简称PCR(Polymerase Chain Reaction)，是以DNA半保留复制机制为基础，发展出的体外酶促合成、扩增特定核酸片段的一种方法。
' S2 n; h' F1 `- X1 b. v/ ?5 t 一、模板和底物4 D4 r. r0 K/ D M2 A; r5 O
DNA复制是模板依赖性的，必须以亲代DNA链作为模板，稳定细胞系构建亲代DNA的两股链解开后，可分别作为模板进行复制。同时，DNA复制需要以四种脱氧核糖核苷酸，即dATP、dGTP、dCTP、dTTP，为底物合成子代DNA。1 |7 W) J9 y8 @* z
在体外进行DNA复制时，模板和底物均可通过人工添加解决。
- `0 ~; ~+ k: ^- U3 h6 B# b! h 二、引物% v" e# M3 z! x2 W/ e
DNA聚合酶必须以一段具有3’端自由羟基（3’-OH）的RNA作为引物，才能开始合成子代DNA链。0 ~! X5 `# n0 N' F8 ~% U( x
在体外进行DNA复制时，可以人工合成具有特定序列的寡核苷酸作为引物，该引物序列与进行扩增的目的核酸片段互补匹配，从而开始目的片段的扩增。
, _' k6 k6 D! B! x7 Z 因为引物的碱基序列需要与目的片段相匹配，在合成引物之前，必须首先已知目的片段的碱基序列，至少也要知道目的片段的部分序列，从而确定合成引物的碱基序列。- l( n5 N! c3 ~( z( A
三、模板双链的解旋
# r o4 {2 G5 f! o 在DNA的半保留复制机制中，双链DNA的解旋是在拓扑异构酶和解链酶的作用下完成的，该过程需要拓扑异构酶识别DNA的复制起点才能开启，而体外扩增特定的核酸片段只需要特异性的复制目的核酸片段，因而需要一种方式使得模板DNA解旋为单链DNA，之后在使之与引物结合，从而特异性的扩增目的核酸片段。
- M0 [% [& h. G( B- k& S 三、DNA的变性
5 ?' H* R8 U. x7 k DNA变性是指核酸双螺旋结构中碱基对的氢键断裂，使得双链变为单链的过程。+ s j$ I E4 r- ^, t7 G
对双链DNA进行加热可以使其发生变性，当温度升高到一定高度时，DNA在260nm处的吸光度会突然发生明显的上升，并达到最大值，之后温度继续上升，其吸光度也不会发生明显变化，若以温度对DNA溶液的260nm吸光度做图，会得到典型的DNA变性S型曲线。( L% Y# I1 n3 m: D T A+ }0 r* ^
DNA的变性是在一个很窄的温度范围内发生的，通常将核酸加热变性过程中，紫外光吸收值达到最大值50%时的温度称为核酸的熔解温度 (Tm, melting temperature)。
. ]3 W" o5 i4 V 1. 特定核酸分子的Tm值与其G+C含量成正相关，GC% = (Tm-69.3) × 2.44；
3 d6 d1 U5 f" ^4 {5 E5 e) k6 { 2. Tm值的大小还与核酸分子的长度有关，核酸分子越长，Tm值越大；4 O3 l8 R3 ]: M8 V2 A% G6 N, V/ B
3. 粒子强度越高，熔解温度越高，熔解温度范围越窄。
% ^+ t. ]) U( ^4 w7 a$ v 四、DNA的复性! Y# R2 ?1 X0 C! h% l: W, Y, Z
加热变性的DNA在缓慢冷却后可以由单链恢复为双链结构，这一过程称为DNA的复性，也称为“退火 (annealing)"。" y* r( F: |1 n6 g! J
当温度降低至比变性DNA的Tm低25℃时，其复性效果*佳，越远离此温度，复性效果越差。
: t, j% R8 N/ v8 X4 m& X, r! H 因此，可以利用此特性，在加热使模板DNA变性后，将温度降低至特定温度，从而使所加引物与模板DNA复性结合，进而能够对引物所规定的核酸片段进行特异性的扩增。: C4 g4 h2 F6 Q4 j+ S
五、DNA聚合酶% y$ B4 e& d: r
为了使模板中特定的核酸片段进行扩增，在模板与引物结合后，需要有DNA聚合酶的参与，但是由于DNA变性和复性过程的温度较高，普通的DNA聚合酶在此过程中会由于温度过高而失活。
9 P4 X r. P! O+ V( y3 K 科学家为了解决该问题，从水生栖热菌 (Thermus Aquaticus) 中分离出了具有热稳定性的DNA聚合酶，该酶可以耐受90℃以上的高温而不失活。
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